Экспериментальная оценка тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля при трехрежимном управлении

Совершенствование выходных параметров моторно-трансмиссионной установки (МТУ) оказывает существенное влияние на тягово-скоростные свойства, топливную экономичность и проходимость автомобиля. Параметры МТУ характеризуются скоростными и нагрузочными характеристиками двигателя, а также диапазоном и временем изменения передаточных чисел трансмиссии.

Известно много направлений улучшения выходных параметров МТУ [1, 2]. Техническая реализация большинства известных решений требует внесения существенных изменений в базовую конструкцию автомобиля, что в крупносерийном и массовом производствах сопряжено со значительными техническими трудностями.

Априори актуальна модернизация автомобилей, которые находятся в эксплуатации, путем внесения изменений в программы управления автомобильным узлом или агрегатом. Модернизация может осуществляться заводами-изготовителями и специализированными предприятиями ремонта автомобилей.

Возможность использования низкозатратных технических решений зависит, прежде всего, от конструктивных параметров модернизируемой модели автомобиля. Анализ доступных для исследования конструкций МТУ грузовых (УРАЛ, КАМАЗ, МАЗ, SCANIA, MAN, DAF, и др.) и легковых автомобилей (ВАЗ, ГАЗ, УАЗ, KIA, VOLKSWAGEN и др.) выявил техническую возможность осуществления трехрежимного управления. Трехрежимное управление состоит из общего режима управления МТУ (гарантированного заводом-изготовителем), дефорсажного и форсажного режимов управления.

Дефорсажный режим предназначен для снижения на холостом ходу и малых нагрузках расхода топлива (при движении с установившейся скоростью, при остановке или стоянке автомобиля с работающим двигателем, при приводе вспомогательного оборудования). Дефорсажный режим двигателя может быть осуществлен отключением части цилиндров. Существует ряд технических решений по отключению ряда цилиндров [3].

Потребность в форсажном режиме возникает: при выполнении обгона автомобиля с повышенной скоростью, при движении автомобиля с массой груза, превышающей номинальную величину; для улучшения проходимости. Применение форсажного режима управления рассматривается в работах [4, 5].

1.    Методика экспериментального исследования трехрежимного управления

Для экспериментального подтверждения эффективности трехрежимного управления проводились дорожные испытания на автомобиле УРАЛ-43203 с дизелем КАМАЗ-740. Перед проведением испытаний автомобиль с пробегом 19 тыс. км прошел техническое обслуживание в объеме ТО-2, все агрегаты и узлы соответствовали ТУ завода-изготовителя. Автомобиль перед испытаниями подготовлен согласно требованиям ГОСТ Р 54810-2011.

Контроль и испытания

Нагрузка на буксирном крюке создавалась путем формирования автопоезда по двухзвенной и трехзвенной схемам, приведенным на рис. 1.

а)

б)

Рис. 1. Схемы проведения испытаний: а – двухзвенная схема; б – трехзвенная схема; 1 – автомобиль УРАЛ-43203; 2 – динамометр; 3, 4 – автомобили ЗИЛ-433360

При планировании эксперимента для поиска максимального значения силы тяги использован шаговый принцип для двухфакторного эксперимента.

Шаг.1:.вращением корректировочного болта топливного насоса высокого давления изменяется предельное положение топливных реек (Δh = var) и определяется экстремальное значение силы тяги на буксирном крюке при неизменном давлении воздуха в шинах (р в = const). При достижении определенной величины силы тяги возникает буксование колес ввиду недостаточного сцепления их с опорной поверхностью.

Шаг 2: для повышения сцепления давление в шинах понижается (рв = var), положение топливных реек неизменно (Δh = const), далее определяется максимальное значение Fт.

Повышение сцепления колес с опорной поверхностью снижением давления сопровождается увеличением сопротивления качению.

Полученные результаты испытаний представлены в виде формул (1), (2) и зависимостей (рис. 2, 3). Для функции Fт = f(р в ) полученные значения аппроксимированы полиномом шестой степени (1), достоверность аппроксимации составляет 0,9998:

Ft = - 0,161 - p 6 + 2,03 ■ p 5 - 10,28 ■ p 4 + 26,62 ■ p 3 - 37,02 ■ p 2 + 25,56 ■ p_B + 2,18.                (1)

Для функции Fт = f(Δh) полученные значения аппроксимированы полиномом шестой степени (2), величина достоверности аппроксимации составляет 0,9994.

Ft = -A h⁶ + 10,77 ■A h⁵ - 47,93 ■A h⁴ + 112,17 ■ A h³ - 145,02 ■ A h² + 98,74 ■A h - 19,93.         (2)

рв, МПа

Рис. 2. Зависимость силы тяги Fт от давления воздуха в шинах рв при Δh = 2,4 мм

Рис. 3. Зависимость силы тяги Fт от предельного положения реек Δh при р в = 0,05 МПа

На сухой асфальтобетонной дороге выявлен эффективный диапазон давления в шинах для увеличения силы тяги, который находится в пределах 0,05…0,32 МПа при Δh = 2,4 мм. Эксплуатация при давлении в шинах ниже 0,05 МПа приводит к значительному повышению затрат энергии на деформацию и нагрев шин, а также более интенсивному их износу.

2.    Конструктивная реализация дефорсажного и форсажного режимов управления

Форсажный режим управления осуществляется путем увеличения цикловой подачи топлива, превышающей номинальную величину. Увеличение цикловой подачи топлива возможно при увеличении хода топливных реек (рис. 4). Конструкция топливного насоса высокого давления (ТНВД) двигателя КАМАЗ-740 предусматривает регулирование предельного положения рычага регулятора 3. Регулировочный болт 2 необходимо переместить на величину Δh, ослабив ограничивающие гайки 1.

1             2            3

Рис. 4. Схема расположения конструктивного изменения в ТНВД:

1 – ограничивающие гайки; 2 – рычаг регулятора; 3 – регулировочный болт подачи топлива

Для возможности перехода на номинальную под а чу выполнено отверстие в крышке ТНВД с целью размещения подвижного упора 2 (рис. 5), управление которым, через трос, осу щ ествляется водителем из кабины автомобиля. Включение ф о рсажного режима упр а вления пр о исходит по желанию водителя в зависимости от условий движения.

Рис. 5. Схема подвижного упора: а – форсажный режим; б – номинальный режим; 1 – регулировочный болт; 2 – подвижный упор; 3 – рычаг регулятора

Время эксплуатации двигателя на форсажном режиме ограничивается предельным тепловым состоянием деталей и узлов двигателя.

Испытания на определение времени разгона проводились согласно ГОСТ 22576-90. Установлено, что среднее значение времени разгона до 80 км/ч на общем режиме управления ав т омобиля составило 52 с. На форсажном режиме среднее значение времени разгона не превысило 46 с.

Измерение расхода топлива проводилось на дефорсажном и общем режимах управления двигателем. Зависимости расхода топлива двигателя при работе на четырех и восьми цилиндрах представлены на рис. 6. Дефорсажный режим реализован путем изменения геометрических параметров ведомой рейки [3].

Рис. 6. Зависимость расхода топлива на холостом ходу общего режима управления и на дефорсажном холостом ходу от оборотов двигателя n

Заключение

Теоретическое предположение об эффективности трехрежимного управ л ения подтверждено экспериментально на автомобиле УРАЛ-43203. Применение трехрежимного управлен и я повышает тягово-скоростные свойства и снижает уровень р асхода топлива: на холостом ходу снижение расхода топлива до 10 %; уменьшение времени разгона на 6 секунд; увел и чение силы тяги на буксирном крюке составило 63 кН.

Контроль и испытания

При эксплуатации автомобиля на деформируемых грунтах форсажный режим управления повысит опорно-сцепную проходимость с учетом регулирования давления в шинах.

Для автомобилей с электронными системами управления агрегатами перспективным направлением развития является внедрение трехрежимного управления путем разработки новых программ управления. Предполагается повышение тягово-скоростных свойств и снижение расхода топлива в более широких пределах, чем для автомобилей с неэлектронными системами управления.